книги / Сопротивление грунтов (некоторые лекции по курсу Механика грунтов )
..pdf
Евфрат, уже упомянутые выше Инд и Ганг, где зарождалась цивилизация. Причем давно существует правило: «Чем крупнее город, тем слабее грунты под ним» и наоборот «Чем слабее грунты, тем крупнее город». Далее будут показаны геологические разрезы в Москве и Санкт-Петер- бурге, характерные для «речных» городов.
Рис. 1.11. Широтный разрез Среднего Урала
В Екатеринбург большинство грунтов служит хорошим естественным основанием фундаментов зданий и сооружений; забивные сваи применяют там, где появляются карманы выветривания; буровые сваи применяют при наличии сильновыветрелых скальных грунтов. На восточном же склоне Урала, где скалы почти нет, сваи применяют гораздо чаще.
Свойства грунтов в Екатеринбурге удалось проследить и оценить в результате проходки перегонных тоннелей и строительства станций метрополитена, которые сопровождались глубоким (до 30–70 м) понижением уровня подземных вод (УПВ).
Понижение УПВ сопровождается снятием так называемой архимедовой силы, в результате чего каждый кубометр грунта становится тяжелее почти на 1 т. При водопонижении, как показано на рис. 1.12, происходят осадки поверхности грунта – в тех местах, где залегали более сжимаемые грунты, например, в области упомянутых карманов выветривания.
31
Рис. 1.12. Деформации зданий в Екатеринбурге в зоне влияния метрополитена
Понижение УПВ, например на 30 м, и соответствующее утяжеление грунта равносильно по воздействию сооружению подряд 20–24-этажных домов, которые создают давление на грунт в среднем до 25–30 тс/м2. В результате до 80 домов по трассе метро получили повреждения разной степени (вплоть до образования сквозных трещин), причем наибольшие там, где часть здания была на скале, а другая на суглинке (дом по пер. Красному). Некоторые крупные строения получили локальные повреждения (здание цирка), другие слегка отклонились от вертикали (многоэтажный дом на ул. Декабристов), третьи, находящиеся вне зоны влияния водопонижения, сохранилиустойчивость (Телебашня).
2.2 Делювиальные грунты
Такие же грунты, как элювий, но смещенные по склонам бывших гор (в виде камнепадов, оползней, селей), получили название делювия; они накапливалась у подножий бывших гор. Смещенные грунты, уже имеющие некоторую упорядоченность и окатанность (и, как правило, небольшую мощность), получили название делювия. Примеры городов, где есть делювий – Первоуральск, Серов и др. Эти грунты в целом менее прочны, более однородны, чем элювиальные образования, но вполне пригодны для строительства. Делювий не подвергался длительной обработке водой, поэтому он еще «помнит» свою материнскую породу: опытные геологи различают свойства делювия – продукта выветривания кристаллических, метаморфических или осадочных пород.
32
2.3 Аллювиальные грунты
Аллювиальные грунты – отложения, образовавшиеся в результате геологической деятельности рек, озер, болот, морей. Это достаточно отсортированные и окатанные частицы (водными потоками), имеющие разную степень крупности, зависящую от скорости водного потока. Но поскольку река, море за многие миллионы лет неоднократно меняли свое положение и скорость (и даже прекращали и вновь возобновляли свое существование), в одном месте накапливались различные по мощности, крупности и минеральному составу слои грунтового материала. Например, текущая с определенной скоростью река в течение нескольких сотен и тысяч лет откладывает на своем дне крупные частицы грунта и постепенно накапливает определенный слой песка. Затем в силу каких-то причин река меняет свое русло или скорость течения. Поэтому поверх образовавшегося слоя песка начинают скапливаться частицы другого размера либо даже образуется слой неразложившейся органики (торфа). При новом изменении ситуации создается уже новый слой аллювия и т.д.
В результате слой торфа может быть погребенным под минеральными слоями глины или песка, причем скорость разложения органики сильно замедляется и этот процесс растягивается на многие столетия.
Типичные примеры городов, построенных на аллювиальных грунтах, – Москва (рис. 1.13) и Санкт-Петербург (рис. 1.14).
Очевидно, что решения фундаментов на сваях здесь почти общепринятые, а в Приневской низменности, на которой основан Санкт-Пе- тербург, с ее уникально слабыми грунтами, длина свай часто достигает 20–30 м – до кровли относительно более прочных моренных отложений. Коренные кристаллические породы залегают на большой глуби-
не – 250–300 м.
Рис. 1.13. Разрез Ю-З – С-В по г. Москве
33
Рис. 1.14. Меридиональный разрез по Санкт-Петербургу и части Ленинградской области
Дополняя мысль о том, что крупные города строились на относительно более слабых грунтах, нужно отметить, что и сама река, когда пока «ищет» себе русло, находит самые слабые места рельефа.
Действительно, для чего ей размывать почти нерастворимый гранит, если за многие века она найдет растворимый гипс или еще более растворимый известняк. Если говорят, что известняк «тянется» к реке, то правильнее говорить, что, напротив, именно река «находит» известняк.
Уровень реки постоянно меняется – как за всю ее историю, так и в годовом цикле (наводнение – межень). Например, знаменитая Кунгурская пещера образовалась за счет растворения и вымывания продуктов растворения известняка. Высота ее (до 30 м) соответствует колебанию уровня реки Сылвы, а длина (до 700 м от реки) – зоне влияния колебания максимального и минимального уровней воды (т.е. в пределах длины депрессионной воронки).
2.4Другие разновидности грунтов
Вдополнение к описанной выше истории образования и классификации грунтов можно добавить то, что различные природные факторы привели к образованию еще и особых разновидностей грунтов. Например, просадочных грунтов, которые представляют собой многовековые накопления пыли, скрепленной каким-то растворимым в воде природным цементомклеем: от действия воды этот «клей» размокает, и грунт, ранее достаточно прочный, превращается в текучую массу, не способную воспринимать нагрузки от зданий. Таких грунтов много на юге России, на Украине, в Казахстане, Узбекистане и, конечно, в Китае – там накопились слои таких отло- жений(лёссов)мощностьюдо100–150м.ЕстьониинаюгеУрала.
34
Другими, противоположными по свойствам, являются набухающие грунты, которые, напротив, при увлажнении увеличиваются в объеме, также вызывая повреждения строений. Таких грунтов в России относительно немного. Самый яркий их представитель – так называемее хвалынские глины, сформировавшиеся в Среднем Поволжье.
К особым разновидностям грунтов относят вечномерзлые грунты (их
вРоссии около 60 % площади!), насыпные, органосодержащие грунты… Если органики в грунте более 50 %, его называют торфом. Каждый
из особых разновидностей грунтов требует специального изучения – для оценки возможных опасностей их для строительства.
В западной части России и в восточной части Западной Европы, где раньше был ледник, образовались ледниковые (моренные) отложения и их вторичные продукты – гляциальные и флювиогляциальные грунты. Свойства их также изучают многие ученые.
Насыпные грунты по определению это результат культурной деятельности человека («культурный» слой, техногенные грунты). Это как организованные, так и неорганизованные человеческие образования, часто даже простые свалки с содержанием мусора, случайных отходов и, конечно же, органики. Многие люди вместо «культурный» применяют более яркий термин – «бескультурный», т.е. «неорганизованный» грунт.
Но вокруг насыпных грунтов, как и других продуктов человеческой деятельности, существует целая философия. Знаменитый ученый Владимир Иванович Вернадский (1863–1945) развивал идею о ноосфере как о продолжении, новом состоянии биосферы, новой эпохе, которая должна наступить в истории Земли. «Человечество, взятое в целом, – писал Вернадский, – становится мощной геологической силой. И перед ним, перед его мыслью и трудом, становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера… [Человек] может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше».
Поясняя идеи В.И. Вернадского, можно полагать, что с появлением человечества развитие геологической среды на планете Земля со временем должно стать все более и более упорядоченным. Например, накопления, в частности, насыпных слоев и других новообразований, должно быть не беспорядочным («бескультурным»), а организовано так, чтобы улучшить среду обитания человека.
Развитием идей В.И. Вернадского о ноосфере сейчас занимаются крупные ученые. Важным итогом работ академика РАН В.И. Осипова явилась ранее упомянутая идея геокомпозита (на Урале в результате работ д-ра техн. наук Б.Н. Мельникова он получил название геомассива) –
35
искусственно преобразованного (методом инъекции закрепляющих растворов) грунтового массива, с помощью которого можно вместо слабого или насыпного грунта создать под сооружением более надежное основание.
В целом же учение о ноосфере имеет значительно более широкие аспекты, далеко выходящие за пределы чисто строительной, человеческой и даже геологической деятельности. Известный писатель Михаил Веллер видит предназначение человека разумного в том, чтобы совершать бесконечную деятельность по улучшению не только геологической среды, но Земли и даже Вселенной в целом. Если в обычной неживой природе существует всеобщий закон выравнивания «всего и вся», т.е. все на свете (тепло, электричество, энергия) постепенно выравнивается, стремясь к наиболее вероятному по закону энтропии состоянию – «тепловой смерти». Человек же с первых шагов сознательной деятельности борется с этой «смертью», высвобождая энергию из всего, из чего можно: дерева, угля-нефти, ядер атомов и др.
За прошедшие 4.6 млрд лет существования Земля пережила множество глобальных катастроф (семь из них, названных Великими, приведены в приложении Г), после которых все сущее на Земле коренным образом менялось или даже полностью исчезало. Впереди у нашей Солнечной системы и планеты еще не менее 2–3 млрд лет жизни, пока Солнце не исчерпает свои резервы топлива. За это время человечеству нужно не только должным образом «упорядочить» только свои, человеческие проблемы, но также и природные процессы, взяв под контроль даже геологические процессы (не говоря уже о насыпных грунтах).
У человечества есть время, чтобы научиться сначала предвидеть извержения вулканов, смерчей, наводнений, цунами, землетрясений (классификация их приведена в приложении Е), затем управлять ими. Человечество обязано научиться предотвращать возможные столкновения Земли с другими небесными телами, подготовиться к созданию новой среды обитания Разума. Таким образом, понятие ноосфера расширяется в том смысле, что оно приобретает уже не только геологический, но также – космический масштаб.
3 Классификация грунтов
Первое же знакомство с грунтами заставляет насторожиться: грунт, как правило, несвязный или малосвязный материал, отличающийся явно меньшей прочностью, чем у других материалов (кирпича, бетона, бута и др.). Поскольку, как отмечалось, его готовила природа, этот материал отличается значительной неоднородностью, причем никто, кроме самой природы, эти свойства не контролировал. Природа же
36
их, конечно, тоже не контролировала, но по-своему все-таки сортировала (например, за счет изменения скорости течения реки).
В грунте, как правило, находится подземная (грунтовая) вода, которая, очевидно, ухудшает его прочность. Многие знают, что если оставить котлован открытым на несколько лет, то грунт, даже изначально хороший, со временем превращается в подобие вязкой жидкости и не может воспринимать никакой нагрузки. Это результат воздействия воды, промораживания, а для некоторых (элювиальных) грунтов еще и окисления под действием кислорода воздуха: геологические процессы, о которых выше шла речь, внезапно ускоряются, и тот результат (измельчения частиц), который ранее шел миллионы лет, ускоряется за самое короткое время такого воздействия…
Далее: почти каждый человек может отличить песок от суглинка, супесь от глины. Но редко кто может отличить песок от супеси, глину от суглинка…
Чтобы объективно отличить один грунт от другого, существует норматив – ГОСТ 25100–2012 [4], согласно которому все грунты разделяются на два класса: класс природных скальных (хотя многие геологи, не признавая скалу грунтом, называют ее породой) и природных дисперсных (нескальных) разновидностей.
3.1 Скальные грунты
Скальные грунты разделяют по следующим признакам:
– по прочности: от очень прочных (расчетное сопротивление
Rс > 120 МПа = 1200 кгс/см2), прочных (Rс = 500…1200 кгс/см2) до низ-
ких (Rс = 10…30 кгс/см2) и очень низких (Rс < 10 кгс/см2) по прочности на одноосное сжатие;
–по удельному весу: очень плотные (удельный вес γ > 2.5 тс/м3), плотные (γ = 2.1…2.5 тс/м3), рыхлые (γ = 1.2…2.1 тс/м3) и очень рыхлые
(γ < 1.2 тс/м3);
–по степени выветрелости: невыветрелые, слабовыветрелые, выветрелые и сильновыветрелые (разделяются по коэффициенту выветрелости – степени снижения плотности после выветривания);
–по степени размягчаемости: неразмягчаемые и размягчаемые (разделяются по степени снижения прочности после насыщения водой);
–по степени растворимости в воде: растворимые, трудно-, средне-
илегкорастворимые (разделяются содержанию водорастворимых солей);
–по степени водопроницаемости: непроницаемые, слабо-, средне-, сильно- и очень сильнопроницаемые (разделяются по коэффициенту фильтрации);
–по структуре: мелко-, средне- и крупнокристаллическая;
–по текстуре: массивная, порфировая, слоистая и др.
37
Структуру и текстуру различают для каждой из подгрупп скальных грунтов – магматических (интрузивных, эффузивных), метаморфических и осадочных. Кроме того, скальные грунты могут быть в немерзлом (талом) и мерзлом состоянии.
3.2 Нескальные грунты
Нескальные грунты представляют для строителей главный интерес, поскольку именно они слагают до 90 % строительных площадок,
ивсе рассуждения об их всегда подчеркиваемой пониженной прочности
иповышенной сжимаемости относятся именно к ним.
Перечислять все классификационные характеристики нескальных грунтов здесь не имеет большого смысла – достаточно обратиться к уже упомянутому ГОСТ 25100. Эти грунты различают на разновидности по крупности и связности: по крупности – крупнообломочные и песчаные; по связности – супесь, суглинок и глина.
Характеристики, которыми согласно другому стандарту (ГОСТ 5180–2015) оценивают физические свойства крупнообломочных, песчаных и глинистых грунтов (т.е. свойства в природном виде, без влияния силовых и других внешних факторов), приведены в следующих лекциях.
Дисперсные (раздробленные) грунты занимают практически весь спектр возможных размеров – от глыбовых и валунных (диаметр более 200 мм) до мельчайших (0.001 мм и менее). Частицы имеют самую разнообразную форму – от подобной шаровой (валуны) до пластинчатой, один размер которой превышает другой в 10 раз и более (глинистые). Однако ко всем частицам применяют термин «диаметр».
Если для частиц глыб, щебня и песка термин «диаметр» можно обосновать многократными измерениями и вычислением некоторого приведенного размера шара, то для глинистых грунтов за него принимают диаметр некоторого приведенного шарика, который выпадает из водной смеси с такой же скоростью, как и реальная частица. Поэтому для анализа зернового (или гранулометрического) состава крупнообломочных и песчаных грунтов используют ситовой анализ. Навеску грунта пропускают через сита разного диаметра, а после взвешивания вычисляют долю каждой из фракций в общем объеме грунта. Однако ситовой анализ применим только для относительно крупных частиц диаметром более 0.1 мм.
Для разделения более мелких фракций используют метод отмучивания. В сосуд определенных размеров заливают смесь воды и навески определенного веса из мелкозернистых частиц, подлежащих разделению. Вначале эта смесь (суспензия) будет иметь определенный
38
удельный вес, который можно определить стандартным ареометром. Спустя некоторое время из раствора будут выпадать наиболее крупные частицы, затем меньше и меньше. Соответственно будет уменьшаться удельный вес раствора. Таким образом, на любой момент можно определить, с какой скоростью выпали частицы грунта, а соответствующий диаметр эквивалентного шарика, который выпал бы из раствора с такой же скоростью, вычисляют по формуле Стокса (D. Stokes, 1819–1903). В этом суть ареометрического способа определения гранулометрического состава мелкозернистых частиц. Этот анализ требует строгого соблюдения качества и температуры воды, поскольку должна быть обеспечена определенная ее вязкость, предусмотренная формулами Стокса. Также требуется знать удельный вес частиц.
Кроме ареометрического, раньше применяли пипеточный способ: в разное время из раствора с помощью пипетки отбирали пробы, а после высушивания определяли доли частиц, в суспензии в определенное время. Но принцип определения диаметра тот же – по Стоксу. Еще есть метод набухания: более мелкие частицы набухают в большей степени, и по степени набухания вычисляют долю глинистой фракции. Но этот метод сейчас почти не применяется.
Крупнообломочные грунты и пески. Крупнообломочные грунты
разделяются на дресвяно-щебенистые (неокатанные куски горной породы) или гравийно-галечниковые (преимущественно окатанные водными потоками). Частицы этих грунтов имеют размеры от близкого к песку (2 мм и более) до 200 мм (глыбы и валуны).
Пески имеют преимущественный размер 0.01–2 мм и почти не содержат глинистой фракции, поэтому они, как и крупнообломочные грунты, не имеют связности.
Пески различают только по крупности – крупные, среднезернистые, мелкие, пылеватые. Чем тоньше их измельчение, тем хуже их свойства.
Кроме того, песчаные и пылеватые частицы в силу самых разных факторов могут уложиться плотно или рыхло. Поэтому каждый из видов песка подразделяется на плотные, средней плотности и рыхлые разновидности. Здесь также: чем рыхлее, тем свойства хуже.
И, наконец, свойства песков резко ухудшаются от заполнения их пор водой. Маловлажные пески имеют более высокую прочность, чем полностью водонасыщенные. Например, при сотрясении рыхлые мелкие пески могут перейти даже в плывунное состояние, при котором они потеряют несущую способность, а иногда – даже потечь по склону или выдавиться из-под фундамента.
39
Глинистые грунты. Самое главное в процессе измельчения частиц следующее: при какой-то степени измельчения эти частицы приобретают свойство связности – способность склеиваться самим и склеивать другие, более крупные частицы, придавая им такое важное качество, как связность. Свойством связности обладают так называемые глинистые фракции частиц (не путать пока с глинистыми грунтами вообще); размер их 0.005 мм и меньше.
Чтобы показать, как возникает связность, в 1930-е гг. демонстрировали опыт с измельчением куска фарфора. Сначала его разбили молотком, образовывался щебень, который почти не реагировал на воду. Потом куски дробили до размера песка (0.1–2 мм), и тоже почти никакой реакции на воду. Наконец, когда в специальной мельнице фарфор раздробили до 0.001 мм, сформированный из полученной смеси с водой кубик после высушивания превратился в камень, который со временем упрочнялся еще больше. Таким образом, очень мелкие глинистые частицы служат своеобразным «клеем» для других более крупных частиц.
Попытки измельчить фарфор до предела приводили к тому, что
всмеси с водой образовывалась своеобразная суспензия, мельчайшие частицы находились во взвешенном состоянии и не оседали, а при понижении температуры или спустя некоторое время этот раствор загустевал и превращался в вязкую жидкость, подобную желе.
Свойства связности грунты приобретают, если содержат достаточно большое количество глинистой фракции. Если глинистой фракции
впеске немного (меньше 10 % по весу), грунт называют супесью, она обладает небольшой связностью и часто трудно отличима от песка. Если растереть ее на влажной ладони, можно отметить преобладание песчаных частиц, но следы глинистых частиц остаются на ладони после стряхивания грунта. Но супесь трудно скатать в шарик или жгут.
Если глинистой фракции в грунте заметно больше (примерно до 30 %), его называют суглинком. Суглинок явно отличается от песка, прежде всего по сплошности – способности сохраняться в крупных кусках, не размельчаясь до отдельных частиц. Именно в этом проявляется склеивающая способность глинистой фракции. Суглинок можно скатать
вжгутики или шарики диаметром до 1 мм. Но шарики при сдавливании трескаются по краям.
И, наконец, при содержании глинистой фракции больше 30 % грунт обладает заметной связностью и называется собственно глиной. Глину легко скатать в шарики-жгутики, но при этом шарики при сдавливании не трескаются.
Вцелом же супеси, суглинки и глины называют единым терми-
ном – глинистые грунты, которые принципиально отличаются от пес-
40